Reactive astrocytes are strongly induced by central nervous system (CNS) injury and disease, but their role is poorly understood. Here we show that a subtype of reactive astrocytes, which we termed A1, is induced by classically activated neuroinflammatory microglia. We show that activated microglia induce A1 astrocytes by secreting Il-1α, TNF and C1q, and that these cytokines together are necessary and sufficient to induce A1 astrocytes. A1 astrocytes lose the ability to promote neuronal survival, outgrowth, synaptogenesis and phagocytosis, and induce the death of neurons and oligodendrocytes. Death of axotomized CNS neurons in vivo is prevented when the formation of A1 astrocytes is blocked. Finally, we show that A1 astrocytes are abundant in various human neurodegenerative diseases including Alzheimer’s, Huntington’s and Parkinson’s disease, amyotrophic lateral sclerosis and multiple sclerosis. Taken together these findings help to explain why CNS neurons die after axotomy, strongly suggest that A1 astrocytes contribute to the death of neurons and oligodendrocytes in neurodegenerative disorders, and provide opportunities for the development of new treatments for these diseases. A reactive astrocyte subtype termed A1 is induced after injury or disease of the central nervous system and subsequently promotes the death of neurons and oligodendrocytes. Different types of reactive astrocyte are generated after various injuries and insults to the brain, but less is known about what these astrocyte subtypes do. Here, Shane Liddelow et al. describe how these reactive astrocytes are induced by neuroinflammatory microglia. The authors also explore the functional roles of reactive astrocytes in the progression of disease or damaged states, and show that A1 astrocytes contribute to the death of neurons in the central nervous system under certain conditions.

The decline of cognitive function occurs with aging, but the mechanisms responsible are unknown. Astrocytes instruct the formation, maturation, and elimination of synapses, and impairment of these functions has been implicated in many diseases. These findings raise the question of whether astrocyte dysfunction could contribute to cognitive decline in aging. We used the Bac-Trap method to perform RNA sequencing of astrocytes from different brain regions across the lifespan of the mouse. We found that astrocytes have region-specific transcriptional identities that change with age in a region-dependent manner. We validated our findings using fluorescence in situ hybridization and quantitative PCR. Detailed analysis of the differentially expressed genes in aging revealed that aged astrocytes take on a reactive phenotype of neuroinflammatory A1-like reactive astrocytes. Hippocampal and striatal astrocytes up-regulated a greater number of reactive astrocyte genes compared with cortical astrocytes. Moreover, aged brains formed many more A1 reactive astrocytes in response to the neuroinflammation inducer lipopolysaccharide. We found that the aging-induced up-regulation of reactive astrocyte genes was significantly reduced in mice lacking the microglial-secreted cytokines (IL-1α, TNF, and C1q) known to induce A1 reactive astrocyte formation, indicating that microglia promote astrocyte activation in aging. Since A1 reactive astrocytes lose the ability to carry out their normal functions, produce complement components, and release a toxic factor which kills neurons and oligodendrocytes, the aging-induced up-regulation of reactive genes by astrocytes could contribute to the cognitive decline in vulnerable brain regions in normal aging and contribute to the greater vulnerability of the aged brain to injury.

Summary

 Glaucoma is a neurodegenerative disease that features the death of retinal ganglion cells (RGCs) in the retina, often as a result of prolonged increases in intraocular pressure. We show that preventing the formation of neuroinflammatory reactive astrocytes prevents the death of RGCs normally seen in a mouse model of glaucoma. Furthermore, we show that these spared RGCs are electrophysiologically functional and thus still have potential value for the function and regeneration of the retina. Finally, we demonstrate that the death of RGCs depends on a combination of both an injury to the neurons and the presence of reactive astrocytes, suggesting a model that may explain why reactive astrocytes are toxic only in some circumstances. Altogether, these findings highlight reactive astrocytes as drivers of RGC death in a chronic neurodegenerative disease of the eye.

SUMMARY Myelin is essential for rapid nerve signaling and is increasingly found to play important roles in learning and in diverse diseases of the CNS. Morphological parameters of myelin such as sheath length and thickness are regulated by neuronal activity and can precisely tune conduction velocity, but the mechanisms controlling sheath morphology are poorly understood. Local calcium signaling has been observed in nascent myelin sheaths and can be modulated by neuronal activity. However, the role of calcium signaling in sheath formation and remodeling is unknown. Here, we used genetic tools to attenuate oligodendrocyte calcium signaling during active myelination in the developing mouse CNS. Surprisingly, we found that genetic calcium attenuation did not grossly affect the number of myelinated axons or myelin thickness. Instead, calcium attenuation caused striking myelination defects resulting in shorter, dysmorphic sheaths. Mechanistically, calcium attenuation reduced actin filaments in oligodendrocytes, and an intact actin cytoskeleton was necessary and sufficient to achieve accurate myelin morphology. Together, our work reveals a novel cellular mechanism required for accurate CNS myelin formation and provides mechanistic insight into how oligodendrocytes may respond to neuronal activity to sculpt myelin sheaths throughout the nervous system.

SUMMARY Excitability—the ability to fire action potentials—is a signature feature of neurons. How neurons become excitable during development, and whether excitability is an intrinsic property of neurons or requires signaling from glial cells, remain unclear. Here we demonstrate that Schwann cells, the most abundant glia in the peripheral nervous system, promote somatosensory neuron excitability during development. We find that Schwann cells secrete prostaglandin E 2 , which is necessary and sufficient to induce developing somatosensory neurons to express normal levels of voltage-gated sodium channels and fire action potential trains. Inactivating this signaling pathway specifically in Schwann cells selectively impairs the maturation of nociceptor and proprioceptor somatosensory neuron subtypes, leading to corresponding sensory defects in thermoception, inflammatory pain, and proprioception. Our studies thus reveal a cell non-autonomous mechanism by which glia regulate neuronal excitability to enable the development of normal sensory functions.

Electrical excitability-the ability to fire and propagate action potentials-is a signature feature of neurons. How neurons become excitable during development and whether excitability is an intrinsic property of neurons remain unclear. Here, we demonstrate that Schwann cells, the most abundant glia in the peripheral nervous system, promote somatosensory neuron excitability during development. We find that Schwann cells secrete prostaglandin E

Microglia and astrocytes play an important role in the neuroinflammatory response and contribute to both the destruction of neighboring tissue as well as the resolution of inflammation following stroke. These reactive glial cells are highly heterogeneous at both the transcriptomic and functional level. Depending upon the stimulus, microglia and astrocytes mount a complex, and specific response composed of distinct microglial and astrocyte substates. These substates ultimately drive the landscape of the initiation and recovery from the adverse stimulus. In one state, inflammation- and damage-induced microglia release tumor necrosis factor (TNF), interleukin 1a; (IL1a), and complement component 1q (C1q), together TIC. This cocktail of cytokines drives astrocytes into a neurotoxic reactive astrocyte (nRA) substate. This nRA substate is associated with loss of many physiological astrocyte functions (e.g., synapse formation and maturation, phagocytosis, among others), as well as a gain-of-function release of neurotoxic long-chain fatty acids which kill neighboring cells. Here we report that transgenic removal of TIC led to reduction of gliosis, infarct expansion, and worsened functional deficits in the acute and delayed stages following stroke. Our results suggest that TIC cytokines, and likely nRAs play an important role that may maintain neuroinflammation and inhibit functional motor recovery after ischemic stroke. This is the first report that this paradigm is relevant in stroke and that therapies against nRAs may be a novel means to treat patients. Since nRAs are evolutionarily conserved from rodents to humans and present in multiple neurodegenerative diseases and injuries, further identification of mechanistic role of nRAs will lead to a better understanding of the neuroinflammatory response and the development of new therapies.